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COMPORTAMIENTO SSMICO DE COMPONENTES NO ESTRUCTURALES

EN HOSPITALES DEL ESTADO DE GUERRERO.

INTRODUCCIN

Los componentes no estructurales (CNEs) son elementos que proveen servicios esenciales

a edificios utilizados como infraestructura crtica (hospitales, escuelas, edificios dedicados

a comunicacin, etc.). Los CNEs, por definicin, no pertenecen al sistema estructural que

soporta cargas en un edificio y tampoco contribuyen a la resistencia de fuerzas

gravitacionales o ssmicas; sin embargo, estos estn sujetos, al igual que la estructura, al

mismo entorno dinmico. Adems, estos juegan un papel muy importante en el desempeo

de la ingeniera ssmica; se deben considerar tres aspectos en los CNEs:

1. Representan la mayor parte del costo total del edificio en muchos de los casos (Fig.

1, Miranda y Taghavi, 2003)

2. Los daos causados a ellos son producidos por deformaciones, que resultan ser

menores, que aquellas necesarios para causar daos a la estructura

3. Los daos substanciales a ellos pueden repercutir en la funcionalidad del edificio.

Fig. 1 Desglose tpico de costos en edificios (Miranda y Taghavi, 2003)

Los componentes no estructurales se clasifican generalmente en tres grupos: componentes

arquitectnicos, equipo mecnico y elctrico, y contenidos del edificio. Los componentes

arquitectnicos pueden incluir muros divisorios, parapetos, chimeneas, ticos, sistemas de

techo falso con plafones, decoraciones, marquesinas, salidas y escaleras independientes del

edificio, ventanas y sistemas de iluminacin. Los componentes de equipo mecnico y

elctrico consisten por ejemplo en sistemas de calefaccin, ventilacin y aire

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acondicionado, motores, turbinas, compresores, generadores, transformadores, tableros de

mando, computadoras, sistema de tuberas, conductores elctricos entre otros. Los

componentes de contenido consisten en archiveros, estantes, muebles, sillas y dems

contenido usual en edificios.

En sismos fuertes, en diferentes pases, las prdidas causadas por daos a CNEs han llegado

a ser mucho mayores que las prdidas por daos a elementos estructurales; ms an, las

prdidas en CNEs, pueden limitar como ya se mencion, la funcionalidad de los edificios

de emergencia (hospitales, estaciones de bomberos, estaciones de polica, etctera), y

ocasionar que las condiciones de supervivencia se reduzcan drsticamente, despus de un

evento natural de gran magnitud. Por esta razn la evaluacin de los componentes no

estructurales en los edificios de servicio se vuelve una labor importante; sin embargo, en

edificios como hospitales o subestaciones elctricas hay una gran cantidad de CNEs. Es

indispensable proponer, por estas razones, metodologas rpidas, efectivas y econmicas,

que permitan estimar el riesgo de ellos ante sismos o eventos naturales importantes (Jurez-

Garca y otros, 2014).

En la mitad del ltimo siglo se han desarrollado mtodos que permiten llevar a cabo un

anlisis ssmico de CNEs. Algunas de estas metodologas, se han introducido en las

disposiciones ssmicas de algunos reglamentos, para evaluar CNEs muy simples. Algunas

de las razones por la que los mtodos propuestos solo evalan el comportamiento ssmico

de CNEs simples, son las siguientes:

1. Los anlisis dinmicos en los que se considera la interaccin entre la estructura y los

CNEs, requiere de modelos numricos que consideren un gran nmero de grados de

libertad.

2. A menudo se requiere la historia de tiempo para un anlisis dinmico paso-a-paso,

que capture adecuadamente la interaccin entre los componentes estructurales y los

CNEs.

3. Las frecuencias de los CNEs muchas veces coinciden con alguna de las frecuencias

naturales de la estructura (se encuentran en resonancia).

4. La gran diferencia entre las caractersticas de amortiguamiento de los CNEs y los

componentes estructurales, da lugar a modos de amortiguamiento no clsicos.

5. Los componentes no estructurales pueden conectarse en diferentes puntos en la

estructura y pueden estar afectados por mltiples excitaciones en la base.

Una de las metodologas ms utilizadas para obtener la respuesta de los CNEs es a travs de

espectros de piso, la cual consiste en obtener el espectro de respuesta donde se encuentra

ubicado algn de estos elementos, y posteriormente usarlo para obtener la respuesta ssmica

de los CNEs. Para ello es necesario realizar un anlisis dinmico de la estructura por

separado, bajo las aceleraciones del terreno, y posteriormente calcular las historias de

tiempo de aceleraciones para cada piso de la estructura considerada.

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La metodologa requiere del anlisis dinmico de la estructura por separado, incluso cmo

se comporta la estructura en el intervalo no lineal. Cuando la estructura incursiona en la no

linealidad fsica, entonces los parmetros dinmicos de la estructura cambian por la

modificacin de la rigidez, y por lo tanto cualquier componente ligado a la estructura tendr

un comportamiento diferente.

ANTECEDENTES

A lo largo de la historia han ocurrido sismos de gran magnitud en diferentes partes del

mundo, los cuales han causado que las condiciones de vida cambien drsticamente; por

ejemplo, los terremotos de Chile y de Hait de 2010 o el de Japn en 2011. Es bien

conocido que en Mxico, el sismo que ha causado una de las mayores catstrofes, es el

ocurrido en las costas del estado de Michoacn en septiembre de 1985, el cual caus

grandes prdidas humanas y materiales en la Ciudad de Mxico. Adems de este sismo, han

ocurrido otros que tambin han causado catstrofes en otras ciudades de Mxico (Tabla. 1,

Gama-Garca, Jurez-Garca y Arroyo-Matus, 2012)

Sismo Fuente ssmica Valores de MMI Dao observado Muertes

28 de julio de

1957 (M 7.8)

Acapulco-San Marcos Acapulco V Menor -

Chilpancingo VIII Severo 8

Ciudad de Mxico VII Moderado 160

14 de marzo de

1979 (M 7.4)

Petatln Acapulco VI Menor -

Chilpancingo VI Menor -

Ciudad de Mxico VI-VII Moderado 5

19 de septiembre

de 1985 (Mw= 8.1)

Michoacn Acapulco VI Moderado -

Chilpancingo VII-VIII Severo -

Ciudad de Mxico VIII-IX Fuerte >10000

14 de septiembre

1995 (Mw=7.4)

Ometepec Ometepec VIII Severo 4

Acapulco V Menor -

Chilpancingo VI Menor -

Ciudad de Mxico IV Menor -

9 de octubre de

1995 (Mw=8.0)

Colima Barra de Navidad IX Fuerte 10

Manzanillo VIII Severo 40

Ciudad de Mxico V Menor -

15 de junio de

1999 (Mw=7.0)

Profundo (Baja Tehuacn) Tehuacn VIII Severo -

Ciudad de Puebla VIII Severo 10

Ciudad de Mxico VI Menor 2

20 de marzo de

2012 (Mw=7.4)

Ometepec Ometepec VII-VIII Severo -

Acapulco V Menor -

Chilpancingo VI Menor -

Ciudad de Mxico VI Menor -

Tabla. 1 Breve descripcin de los sismos recientes ms destructivos en Mxico (Gama-Garca, Jurez-

Garca y Arroyo-Matus, 2012)

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El estado de Guerrero se considera uno de los estados mexicanos con gran potencial de

liberar sbitamente la energa ssmica acumulada por ms de un siglo, debido a su

ubicacin geogrfica en una de las brechas ssmicas de mayor peligro a nivel mundial.

Guerrero se encuentra expuesto a sismos de subduccin, debido al movimiento relativo de

la placa de Cocos por debajo de la placa Norteamericana, y a sismos corticales de pequea

y mediana profundidad (Arroyo-Matus y otros, 2014).

En el estado de Guerrero los sismos de los ltimos aos han causado daos importantes,

como el de Zumpango en 2011. Este produjo la muerte de 4 personas; y un total de 81

municipios afectados, 22 presentaron afectaciones de infraestructura en los sectores de

vivienda, educativo, salud y monumentos histricos, donde el costo estimado de las

reconstrucciones ascendi a 70 millones de pesos (Arroyo-Matus 2011).

El sismo de Ometepec del 20 de marzo de 2012 caus daos severos en las zonas rurales de

la zona epicentral. En edificios especializados, como hospitales y escuelas, el dao se

localiz en elementos no estructurales (muros aparentes y elementos de fachada) y en los

contenidos de dichas edificaciones como muebles y computadoras. En otros edificios de

concreto, hoteles y bancos, de dos a cuatro niveles, con configuraciones irregulares, se

presentaron agrietamientos en muros de ladrillo. Los daos en los edificios de servicio

fueron reparados y despus del tercer da se encontraban en operacin. (Jurez-Garca y

otros, 2012).

La alta sismicidad en Mxico ha ayudado a que la ingeniera ssmica y estructural se haya

ido desarrollando adecuadamente, tras el sismo del 19 de septiembre de 1985 se han hecho

importantes modificaciones a las disposiciones ssmicas. Se ha observado que las

estructuras construidas con estas nuevas disposiciones, han tenido un buen comportamiento

estructural ante sismos recientes; sin embargo, el comportamiento de sus contenidos y

CNEs, en la mayora de ellas, no ha sido el adecuado. Por lo tanto, es necesario proponer

disposiciones en los reglamentos para que pueda mitigarse el dao a ellos, ya que estos son

de gran importancia en la funcionalidad de edificios de emergencia.

Pocos reglamentos han establecido disposiciones para el diseo de CNEs. Taylor y Long,

1997, realizaron una revisin de las disposiciones existentes para los reglamentos

siguientes: Uniform Building Code 1994, Standard Building Code 1994, NEHRP 1994, El

cdigo de Nueva Zelanda, y las disposiciones para CNEs usadas en Japn. Encontraron una

amplia variacin en los requerimientos de fuerzas ssmicas y desplazamientos para los

CNEs que varan en magnitud hasta de 5 veces entre el reglamento ms riguroso y el

menor de ellos.

Miranda y Taghavi, 2003, desarrollaron una base de datos para la adecuada organizacin,

almacenamiento y fcil recuperacin de la informacin relacionada con el comportamiento

de CNEs en edificios comerciales. La base de datos incluye: descripcin de daos, costos

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de reparacin, librera de imgenes de los daos a CNEs y curvas de fragilidad que

representan el dao de los CNEs como funcin del movimiento de la estructura.

Whitaker y Soong, 2003 muestran en su artculo un panorama de las investigaciones

realizadas con relacin al comportamiento de CNEs por los centros de investigacin en

ingeniera ssmica de Estados Unidos: Earthquake Engineering Research Centers (EERCs):

the Mid America Earthquake Center (MAE), the Pacific Earthquake Engineering Research

Center (PEER), and the Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research

(MCEER).

Mondal y Sushir, 2005 realizaron una revisin de las disposiciones referentes a los CNEs

del Eurocdigo 8, el Uniform Building Code 1997, el International Building Code 2003, el

cdigo de Nueva Zelanda 1992 y el Indian Standard 2002. Concluyeron que estos

reglamentos recomiendan que los CNEs se diseen con coeficientes ssmicos mucho ms

altos que los de la propia estructura donde se encuentran soportados, adems que la

mayora de estos reglamentos sugieren el uso de los espectros de piso para obtener la

respuesta de los CNEs ms importantes.

Pino-Guzmn, 2010 presenta en su trabajo de tesis la caracterizacin de la respuesta en

aceleracin absoluta de edificios de acero para calcular las fuerzas inerciales en los CNEs,

realiza el anlisis mediante la metodologa de espectros de piso.

En 2011-2012 se complet un proyecto de investigacin en la universidad de San Diego

California que consista en la prueba de un edificio de concreto reforzado a escala natural

de 5 niveles, el principal objetivo de esta investigacin fue estudiar el comportamiento e

interaccin ssmica de la estructura principal y sus CNEs, adems de contribuir en el

desarrollo de metodologas de diseo basadas en el desempeo de los mismos.

Jurez-Garca y otros, 2014, describen el comportamiento de CNEs ante diferentes

escenarios ssmicos utilizando la metodologa de espectros de piso; obtuvieron los

parmetros dinmicos realizando pruebas de vibracin forzada y en operacin, adems se

revisaron las pruebas realizadas en mesa vibratoria.

En este trabajo se realizar una caracterizacin de los CNEs en infraestructura de

emergencia en el estado de Guerrero, con una metodologa similar a la utilizada por Jurez-

Garca y otros, 2014.

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MOTIVACIN

Es importante el anlisis de los CNEs, ya que la funcionalidad de ellos en edificios de

emergencia (hospitales, estaciones de bomberos, estaciones de polica, etctera), es crucial

para la atencin de contingencias despus de un evento natural de gran magnitud. Si la

funcionalidad de un edificio de emergencia se reduce por la falla de alguno de sus

componentes, las condiciones de supervivencia tambin se reducen.

La mayora de los ingenieros estamos familiarizados con el anlisis y diseo del sistema

estructural de un edificio, no as con el de los CNEs. Este anlisis es relevante en zonas de

alta sismicidad como el estado de Guerrero, donde al existir una deficiencia en la

infraestructura de vivienda, que en la mayora de las zonas rurales es de autoconstruccin,

es necesario que la infraestructura de emergencia se mantenga funcional despus de un

sismo de gran magnitud.

OBJETIVOS

General

Caracterizar el comportamiento ssmico de los CNEs de 2 hospitales en el estado de

Guerrero, a travs de sus parmetros dinmicos y la respuesta en desplazamiento,

velocidades y aceleraciones ante 2 escenarios ssmicos.

Especficos

1. Definir los escenarios ssmicos en el estado de Guerrero, y de esta forma

caracterizar el comportamiento de los CNEs.

2. Obtener los parmetros dinmicos (Frecuencias, periodos y amortiguamiento) de los

CNEs dentro de los hospitales, mediante pruebas de vibracin forzada.

3. Modelar los hospitales como sistemas de mltiples grados de libertad, y realizar el

anlisis dinmico lineal y no lineal de los hospitales.

4. Obtener los espectros de piso, lineales y no lineales, para definir las respuestas

mximas en desplazamiento, velocidad y aceleraciones de los CNEs. Estos se

modelarn como sistemas de un grado de libertad con las caractersticas dinmicas

obtenidas de las pruebas realizadas.

5. Comparar los resultados de las respuestas mximas de los CNEs en cada hospital, y

caracterizar el comportamiento de acuerdo a la accin ssmica correspondiente.

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METODOLOGA

El presente trabajo se realizar bajo la siguiente metodologa de investigacin:

1. Obtencin de informacin necesaria acerca del comportamiento de los CNEs, as

como anlisis de trabajos de investigacin previos.

2. Seleccin de los hospitales en el estado de Guerrero, se recopilarn planos

estructurales y constructivos, memorias de clculo, se solicitarn permisos escritos

para realizar visitas de reconocimiento.

3. Seleccin de los escenarios ssmicos y procesamiento de la informacin necesaria

para definir las fuerzas de excitacin, se eligen acelerogramas, espectros de

respuesta o diseo.

4. Se realiza un inventario de los CNEs ms importantes para la operacin y

funcionalidad de los hospitales seleccionados, se define la distribucin de estos y se

propone la modelacin de la estructura con los grados de libertad de inters.

5. Se realizan las pruebas de vibracin para los CNEs seleccionados, se obtienen sus

caractersticas dinmicas, se comparan los resultados con la informacin de CNEs

ya medidos con las mismas caractersticas, se procesa la informacin.

6. Los edificios se modelan y analizan como sistemas de mltiples grados de libertad

(MGDL), se considera el comportamiento lineal y no lineal.

7. Se obtienen los espectros de piso de cada hospital.

8. Se obtiene la respuesta de los CNEs en funcin de sus caractersticas dinmicas y el

espectro de piso correspondiente.

9. Elaboracin de conclusiones y recomendaciones de acuerdo a los resultados

obtenidos.

RECURSOS

Equipo para medir vibraciones

Computadora

Programas de cmputo

o SAP2000

o MIDAS GEN

o DRAIN-2DX

Personal para realizar pruebas de vibracin

Documentos expedidos por la UAM para poder realizar las pruebas fsicas en los

hospitales seleccionados.

Contactos, para la obtencin de los planos e informacin de los hospitales.

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CRONOGRMA DE ACTIVIDADES

Actividad

Trimestre 15-I

Trimestre 15-P

Trimestre 15-O

Trimestre 16-I

Investigacin documental, revisin de trabajos previos, seleccin de

los sistemas de infraestructura para el anlisis.

Seleccin de los escenarios ssmicos y procesamiento de la

informacin necesaria para definir las fuerzas de excitacin.

Inventario de los CNEs ms importantes para la operacin y

funcionalidad de los sistemas de infraestructura seleccionados, se

define la distribucin de estos y se propone la modelacin de la

estructura con los grados de libertad de inters.

Pruebas de vibracin para los CNEs seleccionados, se obtienen sus

caractersticas dinmicas, se comparan los resultados con la

informacin de CNEs ya medidos con las mismas caractersticas, se

procesa la informacin.

Modelado y anlisis de los edificios seleccionados

Obtencin de los espectros de piso de cada hospital

Obtencin de la respuesta de los CNEs en funcin de sus

caractersticas dinmicas y el espectro de piso correspondiente.

Elaboracin de las conclusiones y recomendaciones de acuerdo a los

resultados obtenidos.

Redaccin del documento de Tesis

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